反物质 ，国际的镜像国际
作者 ：宋宁强（我国科学院理论物理研讨所副研讨员）。反物质
假如，国际反物质真的像国存在 ，它们在哪里 ？反物质当时物理学常识以为 ，在国际诞生之初 ，国际正物质与反物质应是像国等量存在的 。那么 ，反物质在咱们这个物质国际之外 ，国际是像国不是还有一个彻底相反的国际 ？假如并没有一个“反国际” ，那么 ，反物质又是国际什么让正物质保留了下来 ，构成了今日的像国国际 ？现在 ，反物质现已成为研讨的反物质热门和焦点。
反物质究竟是国际啥 ？
幻想一下 ，当你每天起床洗漱的像国时分 ，面前的镜子里呈现了一个与你对称的人影。他有着和你相同的容颜 ，做着相同的动作 ，却处在“相反”的空间 。镜子中的人影便是反物质的一种体现——反物质是物质的“镜像”。在物理学中 ，反物质是与一般物质相对应的一种存在 。
每种粒子 ，例如电子 、质子、中子，都有一个“反粒子” ，它们的质量相同 ，但电荷等性质相反 。当反物质与一般物质相遇时，两边会彼此湮灭，开释出能量——这便是反物质与一般物质之间最引人瞩目的特性，湮灭性 。
反物质的发现可以追溯到20世纪初 。1928年，英国物理学家保罗·狄拉克企图将量子力学与爱因斯坦的狭义相对论相结合来描绘电子时 ，经过数学推导发现 ，方程的解中有必要引进一种“负能量状况”的粒子，他由此初次预言了电子的反粒子——正电子的存在 。1932年 ，美国物理学家卡尔·安德森在研讨国际射线时 ，经过云室试验初次观测到正电子的轨道 。带负电的电子在磁场中偏转向了一个方向 ，而带正电且质量相同的粒子偏转向了另一个方向 ，这证明了狄拉克的预言 。随后 ，1955年 ，物理学家钱伯伦、塞格雷 、维冈德 、伊普西兰蒂斯在美国劳伦斯·伯克利国家试验室的前身 ，经过回旋加速器中高能粒子的磕碰 ，初次人工发生了反质子 。
在反物质的研讨中，我国也在发力 。特别是最近几年 ，我国科学家有了很亮眼的体现 。2024年8月 ，我国科学家在一项国际合作试验中，经过重离子磕碰 ，成功观测到了反超氢-4 。这是科学史上迄今为止观测到的最重的反物质超核 ，完成了在反物质研讨中新的打破。
为什么要研讨反物质 ？
咱们日子在一个物质占肯定主导的国际 ，天然界中的反物质极为稀疏。即便是高能国际射线中的反粒子 ，也会敏捷与地球大气中的物质湮灭 。既然如此，科学家们为什么还要花费巨额本钱去研讨它？由于 ，研讨反物质是咱们了解物质国际的重要窗口 。这儿 ，笔者给咱们介绍研讨反物质的三个“小方针” 。
方针一：反物质去哪了？这是闻名的“重子不对称问题”。国际大爆破理论以为 ，在国际诞生初期 ，物质和反物质应该是等量发生的 ，但今日咱们观察到的国际简直彻底由物质组成。经过研讨反物质 ，科学家期望找出物质为安在国际中占有主导地位的答案 ，然后提醒国际的构成机制。这是现代物理最重要 ，也是最底子的未解之谜之一 。近年来 ，对物质-反物质对称性破缺的研讨成为一个打破口——这种对称性破缺或许解说 ，为何反物质在大爆破后的前期阶段逐渐“消失” ，只留下了少数优势的物质 ，这种奇妙的不对称或许是国际存在的本源 。
方针二 ：咱们发现的物理规则对反物质适用吗？这是要测验物理规则的对称性 。有助于推进对根本物理规则的了解 ，乃至发现新的物理规则 。比方 ，反物质会不会遭到地球引力的招引 ？换句话说，假如把一团反物质放在空中 ，它会像苹果相同往下掉吗 ？这个问题看似简略，但其背面隐藏着对爱因斯坦广义相对论和物理根本对称性的严峻应战 。依据广义相对论，一切物体都应该以相同的办法呼应重力场，不论它们的质量巨细 、组成成分 、是物质仍是反物质，这叫做“等效原理” 。这个原理，在一般物质上现已被重复验证 ，但在反物质上 ，却一向悬而未决。
咱们最近有了才能以试验去“测验”它 。反氢原子是由一个反质子和一个正电子组成的反物质原子 ，它是氢原子的镜像版——理论上 ，它与氢原子有相同的质量、类似的结构 ，只不过构成的根本粒子是反的 。欧洲核子研讨中心的科学家们初次成功地制作并“捕捉”到反氢原子 。他们运用强磁场将反氢原子悬浮在真空中 ，避免它与容器触摸发生湮灭。2023年 ，试验团队“关掉”了磁场 ，让反氢原子在无外力作用下自在运动 。试验结果表明 ，反氢确实会向下坠落 ，其呼应引力的办法与一般物质共同 ，在当时的丈量精度范围内 ，没有发现显着差异 。尽管现在的试验精度还不够高，但这现已是一个严重的里程碑。它告知咱们 ，爱因斯坦的广义相对论很或许也适用于反物质，这进一步稳固了现代物理的柱石 。此外，科学家们相同经过丈量反氢原子的光谱 ，来查验描绘微观根本粒子彼此作用的物理理论的精确性以及物质和反物质的不对称性 。
方针三 ：研讨暗物质 。暗物质在国际结构的构成和演化中发挥着重要作用，可是它既不发光也不吸收光 ，至今尚未被直接探测到 。假如存在暗物质的“镜像”——反暗物质，它们之间就可以湮灭 ，发生更多的反物质。科学家们在地球空间轨道上发射了一些探测器去丈量地球周围的反物质 。令人惊奇的是 ，他们观测到了比料想中更多的正电子和反质子 ，乃至寻觅到了反氦核的痕迹 。许多科学家以为 ，在银河系中心存在着高密度的暗物质和反暗物质 ，它们湮灭发生的反物质 ，终究导致了咱们在地球邻近观测到的反物质超出。尽管这些反物质超出的来源依然有待承认 ，可是反物质的研讨确实为咱们解开暗物质的疑团打开了一个新的窗口 。
反物质研讨有用吗 ？
反物质也并非只能在理论和试验物理研讨中存在 ，它现已悄然改动咱们的日子 。正电子发射断层扫描（PET）便是运用正电子进行的医学成像技能——医生在患者体内打针含有放射性正电子的示踪剂 ，当正电子与电子湮灭时会开释出光子；经过追寻这些光子 ，成像仪可以重建出高精度的体内代谢图画 。
这并不是反物质研讨在健康范畴的仅有用处 。欧洲核子研讨中心也在2003年至2013年间展开了反质子细胞试验（ACE） ，旨在评价反质子在癌症医治中的有效性和适用性 。这个试验汇集了来自全球10个研讨机构的物理学家 、生物学家和医学专家 ，共同研讨反质子对生物细胞的影响 。到现在为止，粒子束疗法首要运用质子来炸毁癌细胞 。这些粒子以预订的能量被送入患者体内 ，刚好在抵达肿瘤特定深度时中止 。但是 ，在炸毁癌细胞的一起，粒子束也会影响健康细胞 ，重复医治会增加对健康安排的危害 。ACE试验尝试了一种新办法 ，那便是运用反质子来医治癌症。反质子和癌细胞相遇时 ，它们会像“爆破”相同彼此炸毁 。试验运用这一效应，让反质子与癌细胞原子核的一部分湮灭 。湮灭开释的能量将原子核炸开 ，并将碎片投射到相邻的癌细胞中 ，然后炸毁它们 。试验发现，运用反质子可以更高效地炸毁癌细胞 ，一起削减对健康细胞的损伤 。尽管ACE试验已于2013年完毕 ，将反质子应用于临床医治依然面对许多应战 ，但其研讨结果为未来癌症医治办法供给了新的视角 。
反物质也是一种具有巨大潜力的动力。反物质与一般物质湮灭时 ，简直100%的质量都会转化为能量，发生的能量密度是传统化石燃料的10亿倍 ，是核电站的1000倍 。反物质和物质湮灭时发生的能量也是朴实的 ，不会留下任何污染或温室气体 。若能战胜当时的技能瓶颈 ，完成高效可控的反物质存储和运用 ，那么反物质将成为一种近乎完美的清洁动力 。
反物质的这一特性为星际游览供给更多或许 。反物质火箭引擎的理论推力可以到达一般火箭引擎的千万倍以上 。有科学家估量，运用反物质燃料的火箭 ，其速度有或许到达光速的15% 。这意味着 ，从地球到月球的旅程 ，或许只需求短短的9秒 。而反物质的高能量密度意味着 ，即便带着少数的反物质 ，也能为航天器供给满足的能量 ，进行长期的深空探究 。这关于星际游览来说至关重要 。尽管反物质火箭引擎的完成还面对许多困难 ，但随着科学技能的前进 ，这些难题有望逐渐得到解决 。反物质作为未来航天范畴的一种潜在革命性技能 ，正招引着全球科学家的重视和尽力 。到了那一天 ，人类的太空探究将进入一个全新年代 ，星际游览将成为实际 ！
你问我答 。
问：在不少科幻著作中 ，反物质被描绘成无比风险 、稍有不小心就毁天灭地的“终极兵器”——物质和反物质湮灭时可以开释巨大的能量 。反物质会炸毁国际吗 ？
宋宁强 ：现在咱们彻底不必忧虑 。确实 ，依据爱因斯坦的狭义相对论 ，1千克反物质与1千克物质湮灭 ，可开释约4300万吨TNT爆破的能量，相当于人类历史上最大的氢弹 。但是 ，地球上简直无法天然发生安稳存在的反物质 。试验室中制作的反物质数量很少 ，制作本钱也极端昂扬——欧洲核子研讨中心一年制作的反质子仅为十亿分之一克量级 ，制作1克反物质需求耗费的能量就相当于全国际四万年的电力耗费，本钱超越6000万亿美元 。此外 ，贮存反物质也极为困难 ，任何容器都由物质组成 ，一旦反物质触摸到容器壁 ，就会湮灭消失 。科学家专门开发了“磁瓶”等技能经过磁场将反物质“悬浮”起来 ，暂时保存在真空中 ，但功率和安稳性都很低 。现阶段 ，用它来制作“反物质炸弹”简直不或许 。
《光明日报》（2025年05月22日 16版） 。
